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    淺談離心機

    欄目:生命科學 發布日期:2014年4月21日

    離心機的工作原理是:在超強的離心力作用下,使旋轉中的樣品逐漸偏離旋轉中心,從而達到沉降分離的效果。雖然離心機的原理很簡單,但是其適用于大量不同的工業應用和研究實驗,離心相關的技術文獻非常之多。
          作者:Angelo DePalma,博士| 2014年3月12日



    實驗室常規離心機
          臺式離心機/貝克曼庫爾特Allegra X-5/www.beckmancoulter.com

          高速離心機/賽默飛世爾科技Sorvall LYNX/www.thermoscientific.com

          細胞培養離心機套裝/海蒂詩/www.hettweb.com

          值得注意的是,離心的分離效率與旋轉半徑成正比,而與轉速(指每秒或每分鐘的旋轉速度,通常用每分鐘旋轉周數rpm表示)的平方成正比。

          因此,在轉速固定不變的情況下,半徑為12英寸的離心機的效率是半徑為6英寸的2倍。而在半徑相同的情況下,轉速為1,000rpm時的離心效率是500rpm時 的4倍。

          離心機一般按尺寸、速度和應用來分類。相同大小的離心機還可以進一步按轉頭容量、離心管尺寸和樣品數量等細分。離心速度(或相對離心力)是指施加到樣品上的離心力,其大小選擇與所需分離樣品的性質有關。最高端的超速離心機可以分離各種分子、細胞組分,甚至同位素。隨著轉速的提高,一些平時難以區分的樣品也可以得到更精細的分離。

          按轉速來給離心機分類是最常見的分類方式,盡管按相對離心力(RCF,單位g)來分類更準確。萊伯特國際(康寧生命科學公司子公司,位于新澤西州愛迪生鎮)的產品經理Peter Will稱,轉速(RPM)是客戶最經常詢問的參數, “但是相對離心力實際上才是更為關鍵的數字”。

          一個應用所需的轉速快慢并不代表其是否“先進”。科研工作者通常使用相對較低的離心力(約300xg)來分離比較敏感的干細胞,而同時用高達1,000,000xg的離心力來分離DNA、RNA、病毒顆粒和蛋白質。

          市場上有各種各樣的轉頭類型可供實驗室選擇,兩種最常見的類型是定角轉頭和甩平式水平轉頭。定角轉頭中的樣品管以一定的角度固定在轉頭內,離心過程中樣品會沿著離心管的側壁逐漸沉淀到底部。

          在甩平轉頭中,當離心達到一定速度時,樣品管會從一個垂直狀態擺動到與地面或工作臺水平的位置,沉淀將平整地聚集在離心管的底部。

          這兩種類型的離心轉頭均可使用多種樣品容器,包括微量管(1-2毫升),錐底管(50-500毫升)等,還包括用于分離血液、血漿等工業流程的更大型的容器,甚至還包括微孔板。美國安捷倫公司(位于加利福尼亞州圣克拉拉市)的微孔板離心機可以跟微孔板抓手及其他模塊組合,實現各種復雜實驗流程的自動化操作。

          供應商們一直致力于研發有針對性設計的離心機來滿足各種各樣的離心實驗和不同容器的適配需要。因此,各種容量和型號的離心機層出不窮。賽默飛世爾科技公司(位于馬薩諸塞州沃爾瑟姆市)的全球商務總監Hugh Tansey說:“市場上針對不同應用的離心機選擇范圍十分廣泛”。

    保養與維護

          很多人都聽說過一些重大的離心機事故,嚴重的會使離心機自身和周圍設備徹底報廢。很不幸這些故事都是真實的,所以新型的離心機設計會通過自動轉頭識別和動態慣量檢查來顯著減少這些潛在的安全風險。一旦發現樣品有不平衡現象,離心機會立即自動停機。Peter Will說道:“一臺好的離心機可以迅速檢測出樣品的不平衡情況,迅速停機,并同時發出聲音或者圖像警報。”

    離心機和血糖儀用的清潔用紙/ HYPE-WIPE?和MINI HYPE-WIPE?/www.currtechinc.com

          與這些災難性事故相比,更為普遍的是各種離心機運行錯誤或者故障,這些直接導致了機器無法使用,或者更糟糕的——樣本損失。Tansey說道:“實驗人員需要經過漫長的處理流程才使樣本進行到離心收集的步驟,他們絕不希望這些樣品被鎖在離心機中,導致損壞或者丟失。”

          轉頭的加速和減速速度需要在更長的樣品平衡時間和更快的運行速度之間進行平衡。轉頭減速過快可能會擾亂樣品的沉淀,而減速過慢則會明顯延長運行時間。“比較理想的狀態是快速啟動配上軟制動,”Will說,“高品質的離心機可以通過電子技術和程序控制實現這樣的功能,允許用戶自由設定加速度和減速度,這已逐漸成為離心機行業的標準配置。”

          還有一點值得一提,離心機應當在安全性上保護操作人員免受有害物質侵害,這包括有毒化學物質、致病菌和病毒等。Will說:“如果用戶需要處理這類樣品,應當選擇使用帶有氣密性蓋子的轉頭和機型。”

    清潔
          離心機一般相對不容易被污染。但是各廠家仍然會建議進行定期的常規清潔,他們一般會推薦自己的清潔劑和專業清潔產品。

          貝克曼庫爾特生命科學公司(位于美國印第安納州印第安納波利斯市)的營銷經理Randall Lockner建議說,至少每運行幾次就要擦拭一次離心機的“機箱”(腔體)。這不僅可以保持潔凈的外觀,還可以防止更嚴重的腐蝕或者交叉污染。“檢查所有蓋子和轉頭密封圈是否磨損、開裂或有雜質堆積,這應該成為儀器日常維護流程的一部分。”

    許多生命科學研究流程仍然使用放射性物質
          如果用戶沒有按照不同同位素的性質正確地檢查或清洗離心機主機和轉頭,那么離心機可能會變得相當“熱”。此外,還可能出現嚴重的交叉污染,從而影響到后續的同位素成像、放射性掃描或者液閃計數的結果。按照操作規范,每次使用同位素后,用戶應當分別使用沾有可溶解吸收無機和有機材料的棉簽進行擦拭,然后計數檢測。實驗室應采取適當措施防止高濃度的同位素泄漏和處理具有潛在危險的棉簽,以保護操作人員。

    轉頭是日常維護中最重要的部分
          艾本德公司(位于紐約州哈帕市)的產品經理Matt Lieber說:“生命科學研究經常使用鹽緩沖液,在樣品取出后,這些緩沖液仍然會以氣溶膠或其他形式殘留在轉頭中。”與傳統金屬轉頭相比,電鍍鋁合金轉頭和碳纖維轉頭受鹽離子侵蝕的程度相對較少,但是仍然需要定期的清洗。Lieber建議使用吸水紙巾沾取非離子型清潔劑或70%乙醇溶液進行擦拭。

          用戶應定期檢查甩平式水平轉頭轉軸的潤滑情況,并定期涂抹硅潤滑脂。潤滑不當一般不會直接引起災難性的事故,但是可能會影響到甩平的速度和傾斜角度,譬如會影響到多相分離實驗的結果(如酚氯仿抽提)。

    終端用戶維護
          無論轉頭是由哪種材質構成,都需要進行磨損檢查,各種磨損有可能會使轉頭性能下降,甚至成為潛在的安全隱患。檢查內容應當包括各種磨損、劃傷、擦傷,或化學品接觸腐蝕等。

          定期維護檢查項目應當包括所有轉頭的檢測,以確保它們處于可運行狀態。貝克曼庫爾特的維護保養工程師會在執行這些檢查后填寫一份關于轉頭狀態的“報告卡”。實驗室管理人員應密切關注轉頭的使用狀態,在轉頭使用年限即將到期前為最終的更換做好準備和預算。

          離心管/ ExtraGene/www.extragene-web.com

          海蒂詩儀器公司(馬薩諸塞州貝弗利市)的東北美地區區域經理Jeff Antonucci建議說:“延長離心機使用壽命最簡單的方法就是保持潤滑。此外,用戶應當定期檢查外殼的氣密性,因為密封環的任何撕裂或破損都可能引發一系列的問題。特別是冷凍型離心機,氣密性的受損有可能導致腔體內產生冷凝水和結冰。”

          Antonucci還建議用戶“去聽和感受”離心機,“如果您發現任何不尋常的震動、搖晃、嘯叫,或任何其他不對勁的情況,應當立即關閉離心機并進行檢查。如果您無法找出原因,請致電制造商。”

          離心過程中可能會使用到各種有害物質,如有毒化學品、生物危險品和放射性同位素等。無論如何小心操作,泄漏、污染和交叉污染的事件仍時有發生。供應商們建議用戶首選無腐蝕性的清洗方式和產品。切記,能夠有效消除致病病毒的清潔產品未必能夠消除放射性污染。

    售后服務
          盡管廠家已盡力使現在的離心機遠離災難性事故的黑暗歷史,但用戶必須明白,各種不規范操作或者維護不當仍然會導致各種不良后果或者樣品損失。 “所有使用離心機的實驗室應當確保儀器由專業培訓的售后工程師進行定期檢測,每年至少一次。”Randall Lockner建議說,“或者至少需要簽訂售后服務協議。離心機是一個重要的基礎儀器,如果它停機了,你的實驗室也就無法繼續運轉了。”

          所有的售后服務協議都應當包括不同級別的由經過培訓的技術人員進行的預防性維護措施。貝克曼庫爾特提供不同等級的售后服務協議包,可以額外覆蓋機器硬件的維修或更換。如果沒有售后服務協議,則會增加維修的成本,尤其是零部件費用,同時差旅費和勞務費也都額外需要計算。


    離心機轉頭/ FA-45-6-30 & A-2-DWP-AT Eppendorf/www.eppendorfna.com

          售后工程師,無論是來自供應商的雇員,第三方售后服務機構,還是獨立個人,都是非例行性離心機保養和維護的首選。頂級供應商會在購買時安排專業技術人員,確保儀器的安裝和水平平衡調節正確,并對需要的用戶進行培訓。Lockner指出:“工程師會檢查電源和通風條件是否合適,并確保用戶掌握樣本平衡、轉頭更換和其他操作的相關知識。”

    購買決策——考慮因素
          離心分離是一項成熟的技術,但由于其在大多數實驗室中的基礎性作用,管理者進行采購時需慎重考慮。賽默飛世爾的Hugh Tansey說:“客戶都希望找到一臺高質量、品牌知名度好的離心機”。用戶普遍希望更快取得結果,所以轉速和轉頭容量都應被優先考慮。

          在選擇離心機的類型和型號時,應當考慮其使用范圍,Randall Lockner如是說。“您要分離納米材料嗎?您基本上用于樣品沉淀嗎?用于細胞培養或細胞分離嗎?還要考慮的是,在分離樣品過程中需要加入什么物質,哪部分需要保留,哪部分可以丟棄。”

          就這些考慮因素與供應商溝通交流是非常有意義的,因為不同型號的離心機在功能上經常有重疊。“這對新用戶或者第一次購買者來說是非常有難度的,”Lockner說,“這取決于供應商能否針對客戶的需求解釋清除這些機型的區別。對于許多實驗室來說,一臺通用型臺式離心機以及合適的配件組合就可以完成大部分常見的實驗流程。”

          供應商會通過增加產品的靈活性,達到一機多用的效果。據Tansey介紹,與其購買多臺專用離心機或通用型落地離心機,不如購買一臺操作簡易、功能強大、體積更小的臺式離心機。這些離心機具有直觀的動態顯示屏,以及電動的自動蓋子鎖定功能。Tansey還說道:“我們的產品歷經多次更新換代,現在呈現的是面向未來的臺式離心機,提供了更好的安全性、轉頭選擇和易用性。”

          如果實驗室需要離心的樣品多達3L、4L或者更大體積,又或者每次需要離心更多樣品數量,則需要選擇落地式離心機。臺式和落地式離心機都可以進行納米顆粒和細胞組分的沉淀分離,主要區別是樣品通量和容積。事實上,許多實驗室都同時配有這兩種離心機。Lockner說:“但是,實驗室場地緊張,這會對選購儀器的數量和尺寸提出限制。”

          管理人員在選購離心機時不應忽略其對實驗室環境的影響。大型離心機占地多,噪音大。許多單位已經開始將離心機集中放置在與實驗人員日常工作區域有一定距離(甚至是數層樓)間隔的中心平臺。幸運的是,現在的離心機軟件可以提供具有可追溯性和安全性設置的多用戶環境。現在,一些廠家還允許用戶使用移動應用程序遠程監控離心機的運行狀態,例如可以知道程序運行是否已經結束,或者前一個使用者有沒有因為沒有準備好等原因放棄使用機器。

          許多實驗室仍然使用容量、性能和操作友好性都不如新式離心機的舊款型號。Tansey說,他們往往把重點放在現有的應用上,而沒有考慮到項目和工作流程的改善。新機型會引入新的轉頭或適配器,可以為實驗室提供更好的靈活性和性能。Tansey建議道:“不要過于沉浸在自認為經典的離心機型號中。”

          購買時還要注意耗材的選擇。Lieber說:“有些客戶從來沒有關注過他們使用的離心管材”。雖然大多數微型離心轉頭和適配器可以兼容大部分的管材,但是冷凍管和HPLC管則需要特殊的適配器。“大型轉頭的離心管選擇需要更加小心,因為大體積離心管的規格型號非常之多”。

          Lieber還建議客戶慎重考慮機器的噪音、體積和外形等因素。如果客戶的“辦公室”面積狹小,或者離心機就放在附近,那么就可能要忍受離心機頻繁工作時帶來的噪音困擾。“你必須清楚離心機準備放在哪里,是否有合適的工作臺或者地面擺放。”

    離心管和轉頭
          萊伯特公司的Peter Will會首先詢問客戶如下幾個問題來鎖定客戶的需求:他們需要使用多大的離心管?需要定角轉頭還是水平轉頭?每次運行需要幾支離心管?是否需要制冷?以及最后一個問題,他們的實驗需要多大的相對離心力或者轉速?

          離心管/Tube?5.0 mL/艾本德/www.eppendorfna.com

          Will說:“每次運行幾支離心管這一點至關重要,并且我認為這是我們的一項競爭優勢。”通常來說,轉頭大小相同時,可使用的離心管越多越好,特別是在一些大型的高通量實驗室。同樣的,轉速相同時,大容量的轉頭中可以使用小容量的離心管,但是小容量轉頭的使用就受限制了。

          Will和本文采訪的其他專家一樣,認為能夠輕松取出轉頭是離心機的關鍵性能。如果需要超過30秒鐘的更換時間,購買時則需謹慎。取出困難或更換時間過長通常意味著人體工學設計不合理或者結構材料過重,這樣有時候會導致操作失誤。很多《實驗室管理者》的讀者都熟悉的一些儀器(如HPLC,MS)雖然操作復雜,但是他們的控制面板非常直觀易用,這一點也同樣適用于離心機。比如萊伯特和赫姆勒品牌的儀器都配有簡單的控制面板,實驗人員在使用不同機器前無需交叉培訓。

          “購買者不應該只局限于目前的工藝流程,”Will建議道,“他們應該選擇更加靈活的機型,能夠兼顧當前和未來的潛在應用方向。”離心機的靈活性涉及機器轉速,以及各種轉頭適配大容量或者特殊離心管、甚至微孔板的能力等方面。

          購買者還應該考慮機器的易用性。Tansey說:“客戶不希望考慮太多因素,他們只是希望離心機運行正常,特別是人員流動性高的和多用戶共用的實驗室。”

          過去,對許多實驗室工作人員來說,更換轉頭,特別是大型轉頭,簡直就是一項挑戰,特別是落地式離心機中的大型金屬轉頭。Tansey說:“以前,這需要借用特殊工具,而且還是個力氣活。”操作員更換轉頭時操作失誤還是造成設備損壞的重要原因,特別是未經培訓的操作員。

          帶螺旋蓋的黑色離心管/Asynt/www.asynt.com

          頂級供應商通過減輕轉頭重量和簡化轉頭拆裝操作來解決令人頭疼的轉頭更換問題。因此,新購買大型離心機時可以考慮碳纖維轉頭,它比同等的金屬轉頭輕60%。多種容易腐蝕金屬的化學物質都無法損害碳纖維轉頭,因此碳纖維轉頭的使用壽命可以更長。賽默飛世爾公司的自動鎖定系統允許通過按鈕式操作更換轉頭,無需使用工具。

          另外還值得考慮的是生物安全蓋,特別是對吊桶式水平轉頭,它可以保護用戶不會接觸到離心樣品產生的氣溶膠。生物安全性已成為離心分離生物危害性細胞和微生物的專有名詞,但實際上生物安全蓋還能為實驗室使用揮發性有害物質時提供保護。

          跟轉頭更換一樣,生物安全蓋的安裝也需要一定的技巧和特別的細心。據賽默飛世爾公司稱,該公司的ClickSeal技術可以使安全蓋的拆裝變得更加容易。

    轉載:
    http://www.labmanager.com/insights/2014/03/insights-on-centrifuges

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